南秦河1號(hào)攔水壩建設(shè)方案探析

王 婷

(商洛市商州區(qū)水利局，陜西 商洛 726000)

1 概 述

秦嶺山區(qū)中小河流洪水暴漲暴落，河道彎道較多，災(zāi)害性強(qiáng)，要想建設(shè)河道攔水工程難度較大。為了提升南秦城市新區(qū)的水環(huán)境面貌，規(guī)劃在陜西省商洛市商州區(qū)劉灣街道辦事處侯塬村建設(shè)1座攔水壩。

南秦城市新區(qū)位于商洛市龜山風(fēng)景區(qū)南麓，北靠龜山，南臨南秦河，面積85 hm2，人口4 860人,是商州區(qū)集物流、旅游、商業(yè)為一體的繁榮地帶，也是帶動(dòng)商州區(qū)經(jīng)濟(jì)突破發(fā)展的一個(gè)新起點(diǎn)。

發(fā)源于商洛市東岳廟鄉(xiāng)雞冠嶺的南秦河[1],是丹江右岸一級(jí)支流，流向由西向東，流程48 km，至劉灣匯入丹江。流域面積576 km2，海撥702～1 577.6 m[2]，平均比降16.6‰，是陜西省暴雨高值、高頻區(qū)。又因防洪工程體系未建成，洪水災(zāi)害發(fā)生頻繁。

2 河道現(xiàn)狀及演變分析

2.1 河道現(xiàn)狀

工程區(qū)位于商洛市以西，在丹江口上游500 m處。該段河道規(guī)整，現(xiàn)狀河道寬約85～90 m，壩區(qū)右岸上、下游均為已建成的漿砌塊石河堤，堤防運(yùn)行多年，河堤基本穩(wěn)定。左岸上下游堤防部分段殘缺不全，需拆除重建。

2.2 河道演變分析

南秦河從雞冠嶺至林岔溝口段屬河源區(qū)，流程長(zhǎng)約11 km，河床的坡度較陡，能輸移粗大的沙礫；從林岔溝口至南秦水庫(kù)大壩段屬河流中游區(qū)，流程長(zhǎng)約27 km，河床相對(duì)穩(wěn)定；南秦水庫(kù)以下屬河流下游區(qū)，流程長(zhǎng)約10 km，河道處于自然下切狀態(tài)。

南秦河流域?qū)偻潦絽^(qū)，植被較差，泥沙主要是由于暴雨對(duì)流域強(qiáng)烈的侵蝕作用形成的，具有水沙關(guān)系協(xié)調(diào)、年際變化大、年內(nèi)分配不均、推移質(zhì)占的比例較大的特點(diǎn)。泥沙主要集中在汛期，其中7～9月輸沙量占年總量的83.1%，可見沙量比水量更集中。

南秦河屬山區(qū)河流，洪水具有陡漲陡落且歷時(shí)較短的特點(diǎn)。據(jù)調(diào)查，流域歷次洪水后河道主槽未有明顯擺動(dòng)，河寬基本為50～110 m，無(wú)明顯的河岸垮塌現(xiàn)象發(fā)生，河道主槽基本在河道內(nèi)擺動(dòng)，河床比較穩(wěn)定；河道沖淤變化基本平衡，略有下切。所以短期內(nèi)南秦河段是一條沖淤相對(duì)平衡的河道。隨著新修河堤的建成，河道沖淤變化將越來(lái)越小，在今后一定時(shí)期內(nèi)，南秦河段平面形態(tài)相對(duì)穩(wěn)定。

3 洪水分析

南秦水庫(kù)流域面積453 km2[3]，謝塬水文站流域面積487 km2，從流域面積得知二者相差34 km2。由于2個(gè)斷面之間無(wú)大支流匯入，謝塬站處于本工程段的緊上游，所以直接采用謝塬站的水文計(jì)算作為工程的水文計(jì)算成果。

謝塬站的洪水在《陜西省丹江干流防洪工程初步設(shè)計(jì)》中已經(jīng)過(guò)計(jì)算，并且成果已經(jīng)省水利廳、長(zhǎng)江水利委員會(huì)兩級(jí)批準(zhǔn)，所以本次設(shè)計(jì)直接采用謝塬站成果。謝塬站在原初步設(shè)計(jì)計(jì)算中采用了3種方法，即綜合參數(shù)法、推理公式法和面積比擬法。謝塬站頻率計(jì)算的參數(shù)為：洪峰流量均值Q平均=429 m3/s，CV=1.05，CS=3.0CV，其天然洪水不同頻率計(jì)算成果如下所示(見表1)。

表1 謝塬站(南秦水庫(kù)壩址)天然洪水計(jì)算成果

謝塬站的天然洪水經(jīng)過(guò)南秦水庫(kù)調(diào)節(jié)計(jì)算，其下泄流量成果如下所示(見表2)。

表2 南秦河干流設(shè)計(jì)洪峰流量

本次工程段設(shè)計(jì)流量采用謝塬站經(jīng)過(guò)南秦水庫(kù)20年一遇的下泄流量518 m3/s。

本工程，最危險(xiǎn)工況為所有閘門全部立起，同時(shí)泄流。經(jīng)計(jì)算，此工況下，設(shè)計(jì)洪峰流量為600 m3/s。為了安全起見，選較大的洪峰流量，故本工程設(shè)計(jì)洪峰流量采用600 m3/s。

4 攔水壩建設(shè)方案分析

南秦河河道水面平均寬度50～90 m，洪水陡漲暴落，為了不影響河道行洪，不宜減縮河道行洪斷面；如修建固定壩，壩址處河道行洪斷面減小，將影響河道行洪。要維持現(xiàn)狀河堤防洪及景觀要求，必須采用活動(dòng)壩，可選擇的主要建筑物形式是液壓壩和橡膠壩。

4.1 方案比選

(1)阻水與否比較。泄洪時(shí)，液壓壩閘門塌平在底板上，基本不阻水。橡膠壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是其受力荷載僅與壩高有關(guān)，與壩袋長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，其經(jīng)濟(jì)跨度為100～150 m，跨度較大，中墩較少。泄洪時(shí)，壩袋塌平在底板上，基本不阻水。

(2)抗震性比較。橡膠壩袋為柔性薄壁結(jié)構(gòu)，重量輕，富有彈性，沒有很高的啟閉機(jī)架、工作橋等，其抗震性能好。液壓壩需要啟閉機(jī)架、工作橋，抗震性、穩(wěn)定性要求高。本工程為7度地震區(qū)，無(wú)需抗震措施。

(3)投資比較。橡膠壩與液壓壩相比，節(jié)省三材，造價(jià)低。

(4)運(yùn)行管理比較。橡膠壩沖排水時(shí)間長(zhǎng)，一般需要6 h左右，且運(yùn)行麻煩；液壓壩沖排水僅需幾分鐘，全程電子操控，運(yùn)行簡(jiǎn)便。

(5)景觀效果比較。液壓壩已被廣泛應(yīng)用于城區(qū)、園林風(fēng)景區(qū)河道內(nèi)，既可發(fā)揮擋水、泄洪等綜合效益，又可因地制宜發(fā)展水上娛樂項(xiàng)目及旅游業(yè)。本工程為城區(qū)河道綜合整治項(xiàng)目，無(wú)疑液壓壩型式將會(huì)為景觀增輝，更適合本工程。

(6)堅(jiān)固性、耐久性比較。橡膠壩與以鋼筋混凝土及金屬結(jié)構(gòu)為主的液壓壩相比，堅(jiān)固性較差，容易被刺傷和磨損，需要采取相應(yīng)保護(hù)措施。橡膠壩存在老化問題，一般壩袋使用壽命為20 a左右。

(7)排沙防淤比較。當(dāng)上游流量較小時(shí)，液壓壩閘下出流，排沙防淤效果較好；橡膠壩壩頂溢流，沒有液壓壩排沙防淤效果好。

(8)施工難易和工期比較。液壓壩為鋼閘門型式，安裝簡(jiǎn)單、方便。橡膠壩壩袋為薄壁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，錨固結(jié)構(gòu)和錨固施工工藝相對(duì)復(fù)雜(見表3)。

表3 橡膠壩與液壓壩優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

與傳統(tǒng)的橡膠壩進(jìn)行比較，液壓壩力學(xué)結(jié)構(gòu)科學(xué)、不阻水、不怕泥沙淤積，不受漂浮物影響，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，抗洪水沖擊的能力強(qiáng)，放壩快速；利用自然又不破壞自然，綜合優(yōu)勢(shì)更明顯；最終推薦采用液壓壩作為擋水建筑物。

4.2 壩址選擇

液壓壩壩址選擇應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、泥沙、環(huán)境影響及技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，宜選在過(guò)壩水流流態(tài)平順及河床岸坡穩(wěn)定的河段。同時(shí)，要充分考慮到河床或河岸的變化特點(diǎn)，以及建壩后對(duì)原有河道可能產(chǎn)生的影響。

南秦河口下游的丹江布置了1座3 m高的橡膠壩，橡膠壩回水高程為663.0 m，回水區(qū)位于會(huì)展中心南秦大橋上側(cè)100～200 m處。丹江1號(hào)液壓壩會(huì)展中心南秦大橋上側(cè)端河道平整，左、右岸為漿砌石堤防，工程地質(zhì)條件良好；左岸有兩處排污管。為了避開排污管，根據(jù)地質(zhì)條件及河道現(xiàn)狀情況，將1號(hào)液壓壩壩軸線布置于丹江口上游500 m處，高速路國(guó)際會(huì)議中心大橋上游200 m處。

4.3 液壓壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1號(hào)液壓活動(dòng)壩形成蓄水水面面積8.8萬(wàn)m2，一次蓄水總量為22萬(wàn)m3，回水長(zhǎng)度1 046 m，回至上游2號(hào)潛壩處。液壓壩包括基礎(chǔ)土建、液壓壩主體工程、控制系統(tǒng)。土建工程包括：壩底座、邊墩、防滲鋪蓋及截滲墻、下游消力池、海漫等。

1號(hào)液壓壩壩高2.5 m，壩軸線長(zhǎng)84 m，單扇長(zhǎng)度6.0 m，共設(shè)置14扇液壓活動(dòng)面板，由28個(gè)液壓缸支撐。底板寬6.5 m，順河道方向總長(zhǎng)60.8 m，其中上游鋪蓋段長(zhǎng)20 m，壩體段為6.5 m；斜坡段長(zhǎng)6.5 m，消能段長(zhǎng)12.8 m，護(hù)坦段長(zhǎng)5.0 m，海漫段長(zhǎng)10 m。壩體兩側(cè)設(shè)置4 m高的邊墩。底板采用C25鋼筋混凝土平底板結(jié)構(gòu)，上下層配φ12、φ18的鋼筋，間距為200 mm。液壓活動(dòng)壩基礎(chǔ)為臺(tái)階狀，上游側(cè)厚1.8 m，下游側(cè)厚1.20 m；基礎(chǔ)橫向每?jī)缮葔畏纸缣幵O(shè)置1道伸縮縫。液壓活動(dòng)壩兩岸設(shè)置邊墩，邊墩厚度1.0 m，邊墩與液壓活動(dòng)壩壩體連接位置預(yù)留150 mm進(jìn)行干掛大理石貼面，并填漿。

4.4 液壓系統(tǒng)

該工程采用1套液壓泵站控制系統(tǒng)，配備1臺(tái)45 kW電動(dòng)機(jī)，同時(shí)控制14塊壩面，每塊壩面配備液壓缸2套；液壓缸共計(jì)28套。控制室布置在左岸堤防后側(cè)平臺(tái)上，偏向壩軸線下游側(cè)，面積為20 m2。總油管溝設(shè)置在壩體塌平時(shí)的下游側(cè)，寬600 mm，深300 mm，液壓油管采用DN32無(wú)縫鋼管；支油管溝設(shè)置在2個(gè)液壓缸之間，與總油管溝垂直連接，寬100 mm，深300 mm；油管共14根。

4.5 液壓活動(dòng)壩運(yùn)行方式

液壓活動(dòng)壩由14塊活動(dòng)壩面組成，壩面由背水面的液壓缸支撐，通過(guò)油管路由液壓泵站控制。液壓活動(dòng)壩升降控制采用現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制、遠(yuǎn)程操作控制及自動(dòng)升降壩控制3種方式。

升壩操作:首先啟動(dòng)液壓泵站及控制系統(tǒng)，然后依次開啟上升按鈕，控制電磁閥依次打開，液壓缸開始工作壩面逐步升起；當(dāng)壩面上升至設(shè)計(jì)高度時(shí)感應(yīng)控制器工作，控制液壓泵站自動(dòng)停止。

降壩操作：分為正常降壩、自動(dòng)降壩與緊急降壩3種。通常情況下，液壓活動(dòng)壩處于升壩狀態(tài)；汛期發(fā)生洪水時(shí)，通過(guò)自動(dòng)升降壩系統(tǒng)調(diào)整保持液壓活動(dòng)壩溢流水深不超過(guò)40 cm；來(lái)水量變小時(shí)，液壓活動(dòng)壩全部升起；來(lái)水量逐漸增大，壩頂溢流水深超過(guò)40 cm時(shí)，自動(dòng)降壩系統(tǒng)開啟，壩面依次降壩河道全斷面行洪。

按照液壓活動(dòng)壩的設(shè)計(jì)規(guī)定，結(jié)合南秦河河道防洪、蓄水的實(shí)際需求，液壓活動(dòng)壩必須在較短的時(shí)間內(nèi)降壩泄洪；本次1號(hào)液壓活動(dòng)壩設(shè)計(jì)降壩時(shí)間為0.5 h。升降壩系統(tǒng)按計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)，運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。液壓活動(dòng)壩冬季運(yùn)行，液壓控制系統(tǒng)需采用耐低溫液壓油，蓄水區(qū)形成寬闊的冰面，可以形成另一番景觀；但由于冰面較薄，應(yīng)該加強(qiáng)管理，禁止人員在冰面上行走。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南秦新區(qū)1號(hào)壩建設(shè)方案的探析分析，可知山區(qū)性河流攔水壩建設(shè)方案要根據(jù)當(dāng)?shù)氐暮觿?shì)和洪水情況進(jìn)行選擇。南秦河城市新區(qū)段河勢(shì)穩(wěn)定，最大洪水600 m3/s，故采用液壓壩建設(shè)方案是經(jīng)濟(jì)科學(xué)的。